Webb phát hiện sao lùn nâu chỉ khoảng hai lần khối lượng Sao Mộc

Kính viễn vọng không gian James Webb của NASA đã tìm thấy tại vùng tạo sao trẻ IC 348 các sao lùn nâu có khối lượng ước tính thấp tới khoảng hai lần khối lượng Sao Mộc. Đây là các vật thể trôi tự do, không quay quanh một ngôi sao; vì vậy, chúng nằm ở vùng ranh giới vốn rất mờ giữa hành tinh và sao lùn nâu — thường được gọi nôm na là “ngôi sao thất bại”. 1

Webb nhìn thấy những vật thể mờ này như thế nào?

IC 348 nằm trong vùng tạo sao Perseus, cách Trái Đất khoảng 1.000 năm ánh sáng. Quan sát hồng ngoại của Webb xuyên tốt hơn qua bụi vũ trụ và đặc biệt nhạy với các vật thể trẻ, lạnh, có độ sáng yếu — điều mà các quan sát ở ánh sáng nhìn thấy khó thực hiện. 1

Nhóm nghiên cứu tiến hành theo hai bước:

1. NIRCam, máy ảnh cận hồng ngoại của Webb, ghi nhận độ sáng và màu hồng ngoại để chọn ra các ứng viên sao lùn nâu. Các vật thể trẻ và lạnh này có dấu hiệu màu sắc khác với sao thông thường cũng như nhiều nguồn ở hậu cảnh.
2. NIRSpec, máy quang phổ cận hồng ngoại, quan sát kỹ các ứng viên nổi bật. Phổ giúp nhận diện khí quyển dưới sao lạnh, trẻ và hỗ trợ ước tính các tính chất vật lý, trong đó có khối lượng.

Kết quả mới mở rộng thành quả Webb công bố trước đó ở IC 348: khảo sát đầu tiên từng tìm thấy ba sao lùn nâu trôi tự do dưới tám lần khối lượng Sao Mộc, trong đó vật thể nhẹ nhất được ước tính khoảng ba đến bốn lần khối lượng Sao Mộc. Quan sát sâu hơn sau đó đã hạ ngưỡng này xuống gần hai lần khối lượng Sao Mộc. 3

Vì sao mốc hai lần khối lượng Sao Mộc đáng chú ý?

Sao lùn nâu là những vật thể không đủ khối lượng để duy trì phản ứng nhiệt hạch hydro lâu dài như các ngôi sao thông thường. Một số sao lùn nâu có khối lượng lớn hơn vẫn có thể đốt deuterium trong một giai đoạn, nhưng không trở thành sao đốt hydro ổn định, sống lâu.

Các thành viên nhẹ nhất tại IC 348 có khối lượng tương đương những hành tinh khí khổng lồ. Tuy nhiên, chúng trôi tự do thay vì quay quanh sao chủ. Ở khoảng khối lượng này, chỉ riêng khối lượng không thể quyết định hoàn toàn tên gọi: một vật thể có thể mang khối lượng “giống hành tinh” nhưng vẫn được xếp là sao lùn nâu hoặc vật thể khối lượng hành tinh nếu nguồn gốc của nó được cho là gần với quá trình hình thành sao hơn là kết tụ trong đĩa quanh một ngôi sao.

Đây là điểm then chốt bởi các mô hình phân mảnh đám mây khí truyền thống gặp khó khi phải tạo ra các vật thể cô lập chỉ nặng vài lần Sao Mộc. NASA nhận định các phát hiện khối lượng thấp mới là thách thức đối với mô hình hình thành sao. Dù vậy, quan sát hiện nay mới giới hạn được khối lượng thấp nhất hiện diện ở IC 348, chứ chưa tự nó xác định được con đường hình thành của các vật thể này. 1

Con số “hai lần Sao Mộc” vẫn có độ bất định

Khối lượng khoảng hai lần Sao Mộc là giá trị suy ra, không phải phép “cân” trực tiếp. Với sao lùn nâu rất trẻ, các nhà nghiên cứu kết hợp độ sáng, phổ quan sát được và mô hình tiến hóa mô tả cách vật thể nguội đi, mờ dần theo thời gian. Vì thế, ước tính khối lượng phụ thuộc vào các giả định về tuổi và tiến hóa ban đầu của vật thể.

Do đó, phát hiện này nên được hiểu là bằng chứng mạnh rằng IC 348 có các thành viên dưới sao ở dải khối lượng cực thấp, thay vì một ranh giới tuyệt đối, sắc nét giữa sao lùn nâu và hành tinh.

Đĩa vật chất quanh vật thể gần bằng khối lượng hành tinh

Hai thành viên mới của IC 348, với khối lượng ước tính khoảng hai và 10 lần khối lượng Sao Mộc, cho thấy phần bức xạ hồng ngoại dư đáng kể — dấu hiệu gắn với các đĩa vật chất bao quanh. Những đĩa này chứa nguyên liệu mà từ đó hành tinh hoặc vệ tinh có thể hình thành.

Hàm ý đáng chú ý là nguyên liệu tạo hành tinh có thể tồn tại ngay quanh những thiên thể mà bản thân chúng đã gần với khối lượng hành tinh. Tuy nhiên, đây không phải bằng chứng Webb đã thấy hành tinh đang hình thành ở đó: bức xạ hồng ngoại dư cho thấy vật liệu đĩa, còn chưa có hành tinh đang lớn lên nào được chụp ảnh trực tiếp trong các hệ này.

Một “nhà trẻ sao” với tia phụt và sóng xung kích

Ảnh ghép IC 348 không chỉ là cuộc kiểm kê sao lùn nâu. Nó còn cho thấy các sao trẻ đang định hình môi trường xung quanh bằng những dòng phụt vật chất mạnh, va vào khí và bụi. NASA nhấn mạnh các tia phụt từ sao mới sinh là một trong các đặc điểm nổi bật của khung cảnh này.

Các va chạm đó tạo nên vật thể Herbig–Haro: những cấu trúc phát sáng do sóng xung kích hình thành khi dòng vật chất từ sao va vào môi trường bao quanh. Toàn cảnh có các cấu trúc như HH 797 và HH 211, ghi lại đồng thời nhiều công đoạn của sự ra đời sao: tiền sao còn ẩn trong bụi, sao trẻ đang lộ diện, dòng phụt, đĩa vật chất và các vật thể dưới sao trôi tự do mờ nhạt nhất.

Bí ẩn khí quyển ở đáy thang khối lượng

Phổ của một số sao lùn nâu cực nhẹ cũng cho thấy vạch hấp thụ liên quan đến một hydrocarbon mạch hở chưa xác định. Đặc trưng hấp thụ ở bước sóng 3,4 micromet tương tự từng được ghi nhận trong môi trường liên sao và trong khí quyển Sao Thổ lẫn Titan, vệ tinh của Sao Thổ. 714

Các nhà nghiên cứu đã đề xuất hành vi quang phổ khác thường này có thể cần một lớp phân loại mới cho các nguồn nói trên. Tuy nhiên, cả định danh chính xác của phân tử lẫn việc thiết lập một phân loại mới đều chưa ngã ngũ. Hiện tại, đặc trưng này chỉ là một đầu mối về hóa học và khí quyển của những sao lùn nâu trôi tự do nhỏ nhất đã biết, chưa phải lời giải cuối cùng. 9

IC 348 thay đổi điều gì?

Webb đã đẩy ranh giới quan sát được ở đầu khối lượng thấp của sao lùn nâu trôi tự do tại IC 348 từ mức khoảng ba đến bốn lần khối lượng Sao Mộc xuống còn khoảng hai lần. Phát hiện cho thấy các vùng tạo sao có thể sinh ra vật thể ở dải khối lượng từng chủ yếu gắn với hành tinh; đồng thời, các đĩa vật chất và dấu hiệu quang phổ lạ mở ra thêm câu hỏi về nguồn gốc và quá trình tiến hóa của chúng.

Bước tiếp theo không chỉ là tìm những vật thể còn mờ hơn. Câu hỏi lớn là liệu chúng hình thành do đám mây khí sụp đổ trực tiếp, bị văng khỏi các hệ sao non, phát sinh do đĩa phân mảnh, hay qua nhiều cơ chế cùng lúc — và liệu các đĩa quanh chúng cuối cùng có thể tạo nên những thế giới nhỏ hơn hay không.